尼尔斯·玻尔(Niles Bohr)是丹麦著名的物理学家,1885年生。1903年进入丹麦哥本哈根大学学习物理,1909年获科学硕士学位,1911年获博士学位。1920年在哥本哈根大学创立了理论物理研究所。这个研究所以其培养出一批批出色的科学家为人所知,而且以其无与伦比的哥本哈根精神著名。1922年,他因对研究原子的结构和原子的辐射做出贡献获得诺贝尔物理学奖。
玻尔在大学学习期间,就显示了他具有严谨的治学态度和独立的科学研究能力。1905年,丹麦科学文学院悬赏征求有关液体表面张力的论文。英国物理学家瑞利从理论上证明:对于在具有已知速度和横截面积的一股液流表面上形成的波,只要测出其波长来,就可以确定其表面张力。
应征论文规定在1906年10月30日前交出。以前应征并得奖的人大多数是有成就的学者,而玻尔此时只有19岁,读大学二年级,但他却有足够的信心和勇气,想通过这次机会考验自己的能力。他想出一种产生液流的方法,然后测出液流的波长,他到他父亲的实验室做实验验证。
玻尔利用自制的玻璃管子,并使喷口形成特殊的形状,使得水从管子里喷出,形成足够长而稳定的水柱。有了这样足够长而稳定的水柱,水的表面会在表面张力作用下产生面波——这种波就是瑞利研究中所说的“振动”。
玻尔为自己独立开展研究感到振奋,他全身心投入到实验中去。由于白天实验室有其他人在工作,而他想获得水流的扭曲程度要保持几个小时的稳定,这几乎是不可能的。他只有等到其他人的工作结束后才能做实验,他的绝大部分的工作只能在夜间进行。这个实验很费时间,每次总得花几个小时,观测时又必须谨慎仔细。玻尔是一个务求完善的人,他在做完每一次实验后,总会发现还有需要改进的地方,实验因此一次次重复进行。征文截止日期眼看快到了,玻尔还在没完没了地改进实验,他的合作者都感到厌倦了,但却无可奈何。他的父亲不得不出面干预,强迫他停止实验,带上实验数据到庄园里去完成论文,并一再嘱咐他不要无休止地修改论文,以免错过了递交论文的期限。
玻尔经过艰苦的努力,终于在规定的时间把应征论文交了上去。
玻尔的论文看来不太符合征文的要求,因为他只测定了水的表面张力,而征文的要求是“研究应扩大到多种液体”。但玻尔的研究不仅实验方法奇妙、精密,而且突破了征文要求的局限,他不仅应用了瑞利的理论,而且推广了瑞利的理论,表现出了他的独创性。应征论文评比者们经反复考虑之后,认定玻尔的论文应该获得金质奖章。在1907年1月25日给科学文学院的报告中他们写道:“这项工作尽管只研究了水一种液体,没有像另一位作者那样全面地解决问题,不过,作者却使这个问题在其他方面得到了发展,取得了很大的成就,我们因此建议这篇论文获得金质奖章。”
1个月后,玻尔收到了丹麦科学文学院寄来的获奖通知。获得金质奖章后,波尔并不满足,他继续进行了更多的实验,对水的表面张力做进一步测定。1908年的下半年,玻尔向伦敦皇家学会寄去题为“用水柱振动法测定水的表面张力”的论文。这篇论文并非是获奖论文的简单英译文,而是做了许多的改进和更深入的研究。后来这篇论文正式发表在伦敦皇家学会的会刊《哲学报告》上。玻尔在流体力学和液体表面张力方面的研究,以及他采用的实验方法和取得的成果,获得了这一领域的专门研究者的高度赞赏。
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科学研究活动是一项艰巨的认知活动。科学研究的目的在于探究自然现象背后的规律。这种规律并不是表象的,而是隐藏在表象背后的本质。科学研究需要科学家付出辛勤的劳动,经历无数的磨难。科学家在从事这种艰辛的工作时,比从事其他认知活动更需要遵循敬业的价值取向,履行严谨准则。严谨准则是指科技工作者细心地设计和进行实验,准确无误地记录和报告结果,注意避免错误;用事实说话,避免不适当的偏见;科学论证和理论推导应具有逻辑性和科学性;追求卓越,精益求精。
玻尔在大学学习期间在开展科学研究方面表现了敬业精神和严谨的作风,这为他以后在物理学研究的最前沿开展卓有成效的工作奠定了坚实的基础。
玻尔大学毕业后从事原子和原子结构方面的研究,成了一名纯粹的理论物理学家,没做过物理学的任何实验。但大学时代的这次实验却影响了玻尔的一生,使他终生重视实验物理学家的工作,知道那些实验室的人在思考什么,也知道如何用实验证实自己的理论研究,从而使更多的物理学家接受他提出的非凡理论。他一辈子履行严谨准则,追求卓越,精益求精,深刻地影响了几代年轻的物理学家,他成为伟大的哥本哈根学派的当之无愧的精神领袖。
令人想不到的是,尽管玻尔再也没有涉及液体表面张力的研究,但是二十多年后,玻尔提出了著名的“液滴模型”,成功地解释原子核的许多基本特性,许多人认为,这得益于他早年对于液体表面张力的研究。不久,一位奥地利女科学家迈特勒用这种“液滴模型”解释了铀原子核被中子撞击后发生的核裂变,最终导致了原子能的利用。
[1]李臻.诺贝尔奖得主的大学时代[M].上海:文汇出版社,2006:118—123.
[2][美]派斯著.戈革译.尼尔斯·玻尔传[M].北京:商务印书馆,2001.
(陈敬铨)
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